SK289078B6 - Snímač veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily - Google Patents

Abstract

Snímač veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily pozostáva z dvoch alebo viacerých optických prostredí (2), piestov (3) prenášajúcich vonkajšiu pôsobiacu silu súčasne na optické prostredia (2) a puzdra (4), v ktorom sú optické prostredia (2) uložené, pričom piest (3) je s puzdrom (4) spojený tenkou vrstvou pružného materiálu (10) a optické prostredia (2) sú umiestnené tak, že vzdialenosť ich osí od osi piesta (3) je závislá od súradnice meranej pozdĺž osi snímača. Snímač veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily je použiteľný napríklad na váženie automobilov za pohybu a umožňuje určiť miesto prejazdu, rýchlosť, ako aj rozloženie nákladu.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka snímača veľkosti a miesta pôsobenia sily. Oblasť techniky, ktorej sa vynález týka, je meracia technika a senzorová technika.

Doterajší stav techniky

Snímače sily sú zariadenia, ktoré pracujú na rôznych fyzikálnych princípoch. Tieto zriadenia umožňujú určiť veľkosť pôsobiacej sily použitím napríklad piezoelektrických snímačov, pričom elektrické napätie vzniknuté na protiľahlých stenách snímača pri pôsobení sily je priamoúmerné tejto sile. Je možné taktiež použiť aj optické prostredia, ktorých prenosové parametre závisia od veľkosti pôsobiacej sily. Najčastejšie sa používa vplyv pôsobiacej vonkajšej sily na koeficient absorpcie (mikroohybové straty), zmenu polarizácie optického žiarenia, zmenu vlnovej dĺžky odrazeného optického žiarenia po prechode Braggovou mriežkou a na optickú dĺžku prostredia (rôzne typy optických interferometrov).

Snímače založené na využití týchto fyzikálnych princípov sú v súčasnosti vyvinuté a pomerne široko používané v rôznych aplikáciách, medzi ktoré patrí aj ich využitie na určovanie hmotnosti automobilov. Obyčajne sa pomocou snímačov určuje len jeden parameter, a to veľkosť pôsobiacej vonkajšej sily (SK 134-2018 U1 Zariadenie na meranie dynamickej sily pomocou optického vlákna). Ak je potrebné určiť aj miesto pôsobenia vonkajšej sily, tak sa použije ďalší snímač na zisťovanie miesta pôsobenia (CN101666660 (A) Vehicle load action position recognizing method based on fiber bragg grating sensing technology). Pri použití systému pozostávajúceho z viacerých nezávislých senzorov sily (KR100383818 (B1) Weight measurement system using fiber optic grating sensor) sa dá určiť okrem veľkosti aj miesto pôsobiacej sily. V tomto prípade presnosť určenia pôsobenia sily závisí od vzdialenosti použitých diskrétnych prvkov. A zároveň, čím je väčší počet prvkov na účely zistenia presnejšieho pôsobiska vonkajšej sily, tým je konštrukcia aj vyhodnocovanie komplikovanejšie. Obdobný spôsob určovania veľkosti sily a zároveň aj miesta pôsobenia sily, ako sa predkladá, je opísaný v PP 42-2019 Optický snímač veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily s tým rozdielom, že v predkladanom patente rozmery optického prostredia (v príklade uskutočnenia tyč) závisia od súradnice meranej pozdĺž dĺžky optického prostredia.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje snímač veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily. Predkladaný snímač veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily nie je viazaný na konkrétny fyzikálny princíp, takže môže byť realizovaný použitím snímačov využívajúcich vplyv vonkajšej pôsobiacej sily na rôzne prenosové parametre optického prostredia.

Snímač veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily, ktorý je realizovaný použitím dvoch alebo viacerých optických prostredí, ktorými prechádzajú optické lúče (vlny), sú umiestnené v oblasti, v ktorej sa veľkosť a miesto pôsobenia sily má určovať a prenosové parametre týchto prostredí závisia od veľkosti vonkajšej sily pôsobiacej na optické prostredia. Tieto optické prostredia sú v takom usporiadaní, pri ktorom vonkajšia sila pôsobí súčasne na použité optické prostredia, ale miera, ktorou je vonkajšia sila rozdelená na zložky pôsobiace na jednotlivé prostredia, závisí od miesta, v ktorom pôsobí. V dôsledku závislosti pomeru, ktorým sa vonkajšia sila delí na sily pôsobiace na jednotlivé prostredia, od miesta pôsobenia vonkajšej sily je odlišný aj optický stav na výstupe z týchto prostredí. Keďže optický stav je charakterizovaný amplitúdou, fázou a polarizáciou a všetky tieto charakteristiky sa dajú vhodným detektorom detegovať, tak závislosť ktoréhokoľvek z týchto parametrov od veľkosti pôsobiacej sily môže byť využitá na určenie miery pôsobenia vonkajšej sily na jednotlivé optické prostredia a pri známej závislosti pomeru, v ktorom je sila rozdelená na jednotlivé prostredia, detekcia optického stavu na ich výstupe umožňuje určiť veľkosť i miesto pôsobiacej vonkajšej sily.

Optické prostredia, ktorými sa použité optické lúče (vlny) šíria, môžu byť realizované ako vlnovody (optické vlákna), svetlovody alebo objekty s rozmermi, ktoré sú značne väčšie, ako je vlnová dĺžka použitého svetla (tyče).

Vlastnosť optických snímačov určiť súčasne veľkosť sily a zároveň miesto jej pôsobenia sa prejaví ako výhoda napríklad pri určovaní hmotnosti automobilov pri ich pohybe. Navyše, pri uložení snímača pod vhodným uhlom proti smeru pohybu vozidla jediný snímač umožňuje určiť nielen hmotnosť, ale aj rýchlosť prechádzajúceho automobilu, ako aj rozloženie hmotnosti nákladu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Schéma zostavy na určovanie veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily využívajúca vplyv deformácie optických prostredí 2 realizovaných pomocou optických vlákien 2a a 2b na orientáciu roviny polarizácie svetla je znázornená na obr. 1. Schéma zostavy na určovanie veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily využívajúca vplyv deformácie optických prostredí 2 realizovaných pomocou optických vlákien 2a a 2b na orientáciu roviny polarizácie svetla, ktorá na určenie pôsobiska vonkajšej sily využíva jej rozdelenie pomocou deleného piesta 3, je znázornená na obr. 2. Schéma snímača na určovanie veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily využívajúca vplyv deformácie optických prostredí 2 realizovaných pomocou optických vlákien 2a a 2b na fázu svetla je znázornená na obr. 3.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

Schéma zostavy na určovanie veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily využívajúca vplyv deformácie optických prostredí 2 realizovaných v tomto príklade optickými vláknami 2a a 2b na orientáciu roviny polarizácie svetla je znázornená na obr. 1. V predkladanom snímači veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily je optické žiarenie zo zdrojov polarizovaného monochromatického svetla 1 naviazané do dvoch optických vlákien 2a a 2b, ktorých prenosové parametre sú rovnaké a nezávisia od pozdĺžnej súradnice vlákna a sú uložené pod piestom 3 šikmo tak, že sú navzájom rovnobežné a vzdialenosť ich osí od osi piesta 3 lineárne závisí od vzdialenosti meranej pozdĺž osi piesta 3. Piest 3 je s puzdrom 4 spojený tenkou vrstvou pružného materiálu 10. V dôsledku toho sily, ktorými piest 3 pôsobí na optické vlákna 2a a 2b, závisia nielen od veľkosti vonkajšej sily, ale aj od miesta, v ktorom vonkajšia sila pôsobí. Súčet týchto síl sa rovná vonkajšej pôsobiacej sile, takže pri optických vláknach 2a a 2b, pri ktorých je závislosť zmeny prenosových parametrov na veľkosti pôsobiacej sily lineárna, je súčet zmien detegovaného optického parametra úmerný veľkosti vonkajšej sily. Ale rozdiel týchto síl závisí od miesta, v ktorom vonkajšia sila na snímač pôsobí, takže i zmeny optického stavu detegovaného na výstupe z optických vlákien 2a a 2b závisia od miesta, v ktorom vonkajšia sila pôsobí. Svetelné lúče sú po prechode optickými vláknami 2a a 2b naviazané do dvoch detektorov polarizačnej roviny 5, pozostávajúcich z detektorov intenzity svetla a polarizačných filtrov. Elektrický signál z detektorov 5 je koaxiálnymi káblami 6 privedený do elektronickej vyhodnocovacej jednotky 7, v ktorej sa na základe znalosti závislosti vzdialenosti osí optických vlákien 2a a 2b a závislosti zmeny orientácie polarizačnej roviny od veľkosti pôsobiacej sily určí veľkosť a miesto pôsobenia vonkajšej sily.

Príklad 2

Schéma zostavy na určovanie veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily využívajúca vplyv deformácie optických prostredí 2 realizovaných pomocou optických vlákien 2a a 2b na orientáciu roviny polarizácie svetla, ktorá na určenie pôsobiska vonkajšej sily využíva jej rozdelenie pomocou deleného piesta 3, je znázornená na obr. 2. V predkladanom snímači veľkosti a miesta vonkajšej sily je optické žiarenie zo zdrojov polarizovaného monochromatického svetla 1 naviazané do dvoch optických vlákien 2a a 2b, ktorých prenosové parametre nezávisia od súradnice, sú rovnaké a sú uložené pod deleným piestom 3 pozostávajúcich z častí 3a a 3b. Šírky týchto piestov 3a a 3b závisia od súradnice meranej pozdĺž optických vlákien 2. Ich šírky sú volené tak, aby ich súčet bol vo všetkých vzdialenostiach rovnaký a ich rozdiel lineárne narastal. Pritom vlákno 2a je uložené pod piestom 3a a vlákno 2b je uložené pod piestom 3b. V dôsledku odlišných šírok piestov 3a a 3b i sily, ktorými piesty 3a a 3b na vlákna 2a a 2b pôsobia, nie sú rovnaké a závisia od miesta, v ktorom vonkajšia sila pôsobí. Súčet týchto síl sa rovná vonkajšej pôsobiacej sile, takže pri vláknach 2a a 2b, pri ktorých zmeny prenosových parametrov na veľkosti pôsobiacej sily nezávisia od miesta, je súčet zmien detegovaného optického parametra úmerný veľkosti vonkajšej sily. Ale ich rozdiel je od pôsobiska vonkajšej sily závislý, takže i zmeny optického stavu detegovaného na výstupe z vlákien 2a a 2b sú závislé od miesta, v ktorom vonkajšia sila pôsobí.

Svetelné lúče sú po prechode optickými vláknami 2a a 2b naviazané do dvoch detektorov polarizačnej roviny 5, pozostávajúcich z detektorov intenzity svetla a polarizačných filtrov. Elektrický signál z detektorov 5 je koaxiálnymi káblami 6 privedený do elektronickej vyhodnocovacej jednotky 7, v ktorej sa na základe znalosti závislosti šírky piestov 3a a 3b od súradnice a závislosti zmeny orientácie polarizačnej roviny od veľkosti pôsobiacej sily určí veľkosť a miesto pôsobenia vonkajšej sily.

Príklad 3

Schéma snímača na určovanie veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily využívajúca vplyv deformácie optických prostredí 2 realizovaných pomocou optických vlákien 2a a 2b na fázu svetla je znázornená na obr. 3. V takomto snímači veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily je optické žiarenie z vysokokoherentných zdrojov svetla 1 naviazané do dvoch optických vláknových cirkulátorov 9, ku ktorým sú pripojené optické vlákna 2a a 2b, ktorých koncové čelá sú v záujme zvýšenia koeficientu odrazu pokovované. Prenosové parametre týchto vlákien 2a a 2b sú vo všetkých miestach rovnaké. Vlákna 2a a 2b sú uložené pod piestom 3 šikmo tak, že sú navzájom rovnobežné a vzdialenosť ich osí od osi piesta 3 lineárne závisí od vzdialenosti meranej pozdĺž osi piesta 3. V dôsledku toho i sila, ktorou piest na vlákna 2a a 2b pôsobí, závisí od miesta, v ktorom vonkajšia sila pôsobí. Súčet týchto síl sa rovná vonkajšej pôsobiacej sile, takže pri vláknach, pri ktorých je závislosť zmeny prenosových parametrov na veľkosti pôsobiacej sily lineárna, je súčet zmien detegovaného optického parametra úmerný veľkosti vonkajšej sily a ich rozdiel je od súradnice meranej pozdĺž vlákien 2a a 2b závislý, takže i zmeny optického stavu detegovaného na výstupe z optických vláknových cirkulátorov 9 sú závislé od miesta, v ktorom vonkajšia sila pôsobí. Intenzita svetla na výstupe optických vláknových cirkulátorov 9 je detegovaná detektormi 5.

Intenzita svetla na výstupe optických vláknových cirkulátorov 9 je intenzitou interferencie vĺn odrazených na čele optických vlákien 2a a 2b, ktorými svetlo do vlákien 2a a 2b vstupuje, a na ich konci, takže poskytuje informáciu o zmene ich dĺžky, ktorú vyvolá vonkajšia sila. Elektrický signál z detektorov 5 je koaxiálnymi káblami 6 privedený do elektronickej vyhodnocovacej jednotky 7, v ktorej sa na základe znalosti závislosti vzdialenosti osí optických vlákien 2a a 2b od osi piesta 3 a závislosti zmeny fázy od veľkosti pôsobiacej sily určí veľkosť a miesto pôsobenia vonkajšej sily.

Intenzita interferenčného signálu je monotónnou funkciou fázového rozdielu iba v rozsahu π, ktorá zodpovedá zmene dĺžky optického vlákna 2 o polovicu vlnovej dĺžky použitého svetla. Z toho vyplýva jednak vysoká citlivosť systému, ale i jeho malý rozsah. Ale pri použití dostatočne rýchleho detekčného systému je pri monotónne narastajúcej a monotónne zanikajúcej sile možné z časového priebehu signálu získaného v priebehu pôsobenia vonkajšej sily určiť jej veľkosť. Jej určenie je možné, pretože z počtu periód zaznamenaných signálov možno určiť, koľkokrát sa fáza signálu zmenila o hodnotu 2π, a tak určiť zmenu fázy a tým i veľkosť sily vo veľkom rozsahu a s veľkou presnosťou. Takto systém umožňuje spojenie vysokej citlivosti a veľkého rozsahu oblasti, v ktorej sa môže veľkosť sily a miesto jej pôsobenia určovať.

Priemyselná využiteľnosť

Snímač pozostávajúci z viacerých optických prostredí s odlišnou závislosťou parametrov od miesta pôsobenia sily je možné využiť na určovanie veľkosti a miesta pôsobiacej sily, čo môže nájsť využitie v meracej a senzorovej technike, napríklad na váženie pohybujúcich sa vozidiel, ako i pri kontrole rovnomerného rozloženia hmotnosti nákladu vozidiel.

Zoznam vzťahových značiek

- zdroje lineárne polarizovaného monochromatického svetla

- optické prostredia

2a - optické vlákno

2b - optické vlákno

- piesty

3a - piest

3b - piest

- puzdro

- detektory polarizačnej roviny

- koaxiálne káble

- elektronická vyhodnocovacia jednotka

- optické vláknové cirkulátory

- tenká vrstva pružného materiálu

Claims (2)

1. Snímač veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily, pozostávajúci z dvoch alebo viacerých optických prostredí (2), piesta (3) prenášajúceho vonkajšiu pôsobiacu silu súčasne na optické prostredia (2), puzdra (4), 5 v ktorom sú optické prostredia (2) uložené, pričom piest (3) je s puzdrom (4) spojený tenkou vrstvou pružného materiálu (10), vyznačujúci sa tým, že optické prostredia (2) sú umiestnené tak, že vzdialenosť ich osí od osi piesta (3) je závislá od súradnice meranej pozdĺž osi snímača.

2. Snímač veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily, pozostávajúci z dvoch alebo viacerých optických prostredí (2), deleného piesta (3) prenášajúceho vonkajšiu pôsobiacu silu na optické prostredia (2), puzdra 10 (4), v ktorom sú optické prostredia (2) uložené, pričom piest (3) je s puzdrom (4) spojený tenkou vrstvou pružného materiálu (10), v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že optické prostredia (2) sú umiestnené pod deleným piestom (3), deleným na minimálne dve časti (3a, 3b), ktorých šírka je závislá od súradnice meranej pozdĺž osi snímača.